1、太陽(yáng)能電池的最終效率探討背景 化石能源過(guò)度消耗并且伴隨著地球環(huán)境的日益惡化, 發(fā)展清潔、可再生的新能源成為社會(huì)長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的迫切需要。太陽(yáng)能電池利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能, 擁有可再生、清潔、安全、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn), 被認(rèn)為是最有前途的可再生能源技術(shù)之一。 雖然光電轉(zhuǎn)化效率在10%18%的太陽(yáng)能電池已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用, 但如何進(jìn)一步提升太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率依然是研究者面臨的最重要的挑戰(zhàn)。目錄1234Shockley-Queisser轉(zhuǎn)換效率極限標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池的效率極限高轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池結(jié)論與展望Shockley-Queisser轉(zhuǎn)換效率極限典型的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率極限, 也就

2、是所謂的S-Q效率極限(Shockley-Queisser limit)，一直是太陽(yáng)能電池效率的理論瓶頸. 光電轉(zhuǎn)換過(guò)程中能量損耗的原因主要有3個(gè):光子能量低于半導(dǎo)體材料的帶隙能量時(shí), 光子不會(huì)被吸收，能量大于帶隙的光子, 其超過(guò)帶隙能量的那部分能量以熱量的形式損失。黑體背景輻射. 量子力學(xué)告訴我們?nèi)魏谓^對(duì)溫度不為零的物體都會(huì)不可避免地向外輻射電磁波。電子-空穴的輻射復(fù)合.根據(jù)細(xì)致平衡原理(detailed balance), 電子和空穴在吸收層中相遇時(shí)不可避免地會(huì)產(chǎn)生輻射復(fù)合, 重新產(chǎn)生光子輻射出去.太陽(yáng)能電池的S-Q轉(zhuǎn)化效率極限圖標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池的效率極限標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池主要指單結(jié)器件太陽(yáng)能電

3、池硅基太陽(yáng)能電池化合物太陽(yáng)能電池有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化鈣鈦礦太陽(yáng)能電池最高轉(zhuǎn)換效率標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池情況硅基太陽(yáng)能電池 單晶硅的帶隙約1.12 eV, 其非平衡載流子壽命較長(zhǎng), 電池穩(wěn)定性較好 . 目前單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率已可以達(dá)到25%左右 , 但是單晶硅的生產(chǎn)成本較高, 而且單純從電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化上進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率的可行性并不高, 轉(zhuǎn)換效率的提高受到限制. 多晶硅的原子基本排列形式與單晶硅相同但排列晶面不同, 因此多晶硅各向異性不明顯, 晶體缺陷相對(duì)較多, 電阻率較大, 轉(zhuǎn)換效率也較低, 目前最高轉(zhuǎn)換效率在15%左右.研究者提出了一些成熟的方法來(lái)提高硅基太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率：?jiǎn)尉Ч璞砻嫖⒔Y(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻

4、雜, 將表面制成倒金字塔結(jié)構(gòu), 或者在表面涂一層減反射層來(lái)提高光吸收.晶體硅的帶隙為1.12 eV, 只能夠吸收波長(zhǎng)短于1100 nm的近紅外光.為了拓展對(duì)更長(zhǎng)波長(zhǎng)范圍的光吸收, 可以利用上轉(zhuǎn)換材料把亞帶隙(sub-band-gap)近紅外光(波長(zhǎng)大于1100 nm)轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光/近紅外光(波長(zhǎng)小于1100 nm). Trupke等人 計(jì)算了標(biāo)準(zhǔn)空氣質(zhì)量地面譜條件(AM1.5)下, 單結(jié)電池結(jié)合理想的上轉(zhuǎn)換材料后,光電轉(zhuǎn)化效率上限可以達(dá)到50.7%. 松下公司今年3月宣布，公司的光伏組件已在研究層面實(shí)現(xiàn)高23.8%(采光面積*3：11,562 cm2)的轉(zhuǎn)換效率，該數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)打破晶體硅光伏組件此

5、前的轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄。2014年4月，松下宣布公司的硅異質(zhì)結(jié)電池實(shí)現(xiàn)高達(dá)25.6%*4的世界最高轉(zhuǎn)換效率。因此，松下同時(shí)保持著晶體硅太陽(yáng)能電池和晶體硅光伏組件的轉(zhuǎn)換效率世界記錄。松下公司的成果化合物太陽(yáng)能電池 化合物太陽(yáng)能電池主要包括CdTe, GaAs, CIGS等化合物材料組成的太陽(yáng)能電池.通?；衔锾?yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率更高、更耐高溫、更耐輻照. 單結(jié)GaAs太陽(yáng)能電池的最高轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)接近28.8% , 而多結(jié)GaAs太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到38%以上, 是目前光電轉(zhuǎn)換效率最高的太陽(yáng)能電池. 經(jīng)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室(National Re-newable Energy Laborato

6、ry)測(cè)試及認(rèn)證, 目前CIGS太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到了21.7%. 若利用聚光裝置的輔助, 效率可以進(jìn)一步大幅度提高.高轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池 為了進(jìn)一步降低成本, 提高光電轉(zhuǎn)換效率, 尋找新的材料、改善器件結(jié)構(gòu)、降低能量損耗都是行之有效的方法. 基于此, 近年來(lái)許多新型電池概念被提出, 研究人員通過(guò)大量的工作使這些太陽(yáng)能電池的效率有可能突破S-Q效率極限.多結(jié)太陽(yáng)能電池中間帶太陽(yáng)能電池多激子太陽(yáng)能電池其他新概念太陽(yáng)能電池多結(jié)太陽(yáng)能電池 單一半導(dǎo)體材料組成的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率受到單一帶隙極限轉(zhuǎn)換效率的限制, 無(wú)法超越S-Q效率極限. 因此, 采用多結(jié)(multi-junction)結(jié)構(gòu)(

7、表2), 以多種帶隙不同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成疊層電池從而最大化利用光能, 成為突破光電轉(zhuǎn)換效率限制的途徑之一.德國(guó)弗勞恩霍夫太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所 2014年由德國(guó)弗勞恩霍夫太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所、法國(guó)微電子研究機(jī)構(gòu)CEA-Leti與法國(guó)Soitec公司共同開(kāi)發(fā)一款用于聚光光伏(CPV)系統(tǒng)的Soitec多結(jié)太陽(yáng)能電池日前成為該公司最新的達(dá)到世界紀(jì)錄的電池，轉(zhuǎn)換效率為46%,這是上述機(jī)構(gòu)在一年內(nèi)第二次刷新世界紀(jì)錄，此前一次公布的世界紀(jì)錄是在2013年9月份。 2016年德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所(Fraunhofer ISE)的研究人員與奧地利半導(dǎo)體工藝公司EV Group連手大幅提高了硅基多結(jié)面太陽(yáng)

8、能電池的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30.2%，寫(xiě)下目前的最新記錄。中間帶太陽(yáng)能電池 中間帶太陽(yáng)能電池是在半導(dǎo)體材料的禁帶區(qū)域引入連續(xù)的電子能帶, 即在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間增加1個(gè)能帶，低于帶隙能量的光子可以首先被價(jià)帶上的電子吸收, 躍遷到中間帶上, 再繼續(xù)吸收光子, 達(dá)到足夠的能量后再次躍遷到導(dǎo)帶上. 中間帶的材料必須具備下列性質(zhì):價(jià)帶到導(dǎo)帶的吸收系數(shù)比價(jià)帶到中間帶的吸收系數(shù)大, 價(jià)帶到中間帶的吸收系數(shù)比中間帶到導(dǎo)帶的吸收系數(shù)大;中間帶必須是半滿的, 且應(yīng)有足夠的電子空穴對(duì)濃度, 從而能夠滿足電子從價(jià)帶到中間帶的躍遷和中間帶到導(dǎo)帶躍遷的要求。 根據(jù)理論計(jì)算, 量子點(diǎn)中間帶太陽(yáng)能電池的極限轉(zhuǎn)換效率在1 sun和全聚

9、光條件下分別可以達(dá)到46%和63.2% . 如果考慮無(wú)窮多中間 帶 的 存 在 , 中 間 帶 太 陽(yáng) 能 電 池 的 效 率 可 達(dá)77.2% .中間帶太陽(yáng)電池能帶結(jié)構(gòu)及電子躍遷示意圖 中間帶太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu) 多激子太陽(yáng)能電池 多激子過(guò)程是指把1個(gè)高能量光子轉(zhuǎn)換為多個(gè)電子-空穴對(duì)的過(guò)程 38 , 在太陽(yáng)能電池中可以使光電流增大, 提高光電轉(zhuǎn)換效率 . 多激子產(chǎn)生需要的條件包括: 多激子產(chǎn)生的速度要大于熱載流子冷卻速度; 材料需要有很強(qiáng)的光吸收能力, 碰撞離化后能產(chǎn)生大量多激子. 根據(jù)理論計(jì)算, 在非聚光下, 單結(jié)多激子太陽(yáng)能電池的極限轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到44.4% 分裂的三重態(tài)激子電荷分離 結(jié)論與展望 對(duì)于傳統(tǒng)單結(jié)太陽(yáng)能電池, 由于開(kāi)路電壓和短路電流的相互制衡, 發(fā)展合適的帶隙、強(qiáng)吸收系數(shù)、高遷移率的新材料是提高電池效率的先決條件. 近年來(lái)我們驚喜地看到隨著新材料和新技術(shù)的不斷發(fā)展, 尤其是CIGS太陽(yáng)能電池和鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的不斷發(fā)展, 單結(jié)太陽(yáng)能電池的效率越來(lái)越逼近S-Q效率極限. 另一方面, 隨著多結(jié)太陽(yáng)能